СОПЛО РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2001 года по МПК F02K9/97 

Изобретение относится к соплу ракетного двигателя с наружной частью или камерой реактивной тяги, имеющей криволинейный профиль в осевом сечении.

В процессе неустановившихся режимов пуска или останова у ракетных двигателей, эксплуатируемых на уровне моря, обычно возникают значительные динамические нагрузки. Эти нагрузки, как правило, приписывают к характеристикам неупорядоченного истечения в процессе отрыва потока.

Выходная часть сопел у жидкотопливных ракетных двигателей часто работает в условиях, когда основная струя выбрасывается при внешнем давлении, которым нельзя пренебречь. Примерами таких ракетных двигателей являются крупные жидкотопливные ракетные двигатели, эксплуатируемые на уровне моря, для ракетных ускорителей и основных ступеней, которые запускают на уровне моря, и ракетных двигателей верхних ступеней, запускаемых на стадии отделения.

Динамические нагрузки появляются из-за нестабильной природы истечения из камеры реактивной тяги в процессе неустановившихся режимов пуска и останова и в процессе работы в установившемся режиме при отрыве потока в сопле. Были изучены законы и эффекты такого отрыва потока и опубликованы в трудах 30th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, June 1994, Indianapolis, IN, USA в статье "Aero-elastic Analysis of Side Load in Supersonic Nozzles with Separated Flow", Volvo Aero Corporation, которую можно считать ссылкой. Динамические нагрузки, как правило, имеют такую величину, например порядка 50-100 кН, что они вызывают ограничение срока службы конструкции компонентов камеры реактивной тяги. Эти ограничения приводят в результате к повышению веса структурных элементов камеры реактивной тяги. Кроме того, более высокое допустимое отношение площадей, которое можно использовать по длине сопла, ограничено требованием неотрывного истечения при установившемся режиме работы.

Конечными следствиями динамических нагрузок являются ограничения на общее отношение рабочих характеристик к весу камеры реактивной тяги и вытекающие из этого ограничения величины стоимость-нагрузка, которая может определять доставку на орбиту с использованием стартовой установки.

Для устранения недостатков предшествующих конструкций сопел было предложено большое количество технических решений, которые, тем не менее, все сами по себе имели значительные недостатки в различных аспектах. Главные трудности связаны с функционированием, рабочими характеристиками, охлаждением и надежностью.

Таким образом, традиционные колоколообразные сопла приводят к ограничениям функций и существенным нагрузкам при неустановившихся режимах пуска и останова. Сопло в форме сдвоенного колокола также испытывает жесткие динамические нагрузки в неустановившемся режиме. Были предложены сопла с наружным раструбом, но они не были всесторонне испытаны. У колоколообразного сопла, оборудованного установочными кольцами, динамические нагрузки снижаются, но оно при этом сильно теряет в рабочих характеристиках. Упомянутые сопла также испытывают трудности с проблемами охлаждения. И, наконец, были предложены удлиненные сопла и вентилируемые сопла, но и тем, и другим требуются механизмы с функциями, которые невозможно проверить перед полетом.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции сопла ракетного двигателя, которая предусматривала бы благоприятное регулирование потока в расходящейся части выходного канала сопла, и при этом позволила бы снизить вес сопла ракетного двигателя и достичь повышения рабочих характеристик.

Согласно настоящему изобретению этого достигают с помощью сопла, которое, по существу, отличается тем, что по периферии упомянутая выходная часть сопла в осевом сечении имеет радиус, длина которого является переменной. Предпочтительно, длина радиуса изменяется периодически, а более предпочтительно периодичность такова, что образуется многоугольная по периферии форма сопла.

Согласно настоящему изобретению посредством этой очень ограниченной неосесимметричной модификации контура стенок сопла можно с успехом управлять срывом потока. Такая модификация не вызывает значительных негативных влияний на рабочие характеристики, надежность, охлаждение и производственные аспекты выходной части сопла.

Таким образом, в настоящем изобретении предложена конструкция сопла ракетного двигателя, эксплуатируемого на уровне моря, со значительно более высокими вакуумными характеристиками за счет более высокого отношения площадей сопла и снижения веса.

Далее настоящее изобретение будет описано ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых на фиг. 1 показана аксонометрическая проекция расширяющейся выходной части сопла согласно изобретению; на фиг. 2 показана аналогичная, но открытая, или с вырывом, аксонометрическая проекция такого же соплаж; фиг. 3 представляет собой осевое сечение ракетного двигателя с выходной частью согласно настоящему изобретению.

Со ссылкой на фиг. 3 изобретение будет описано применительно к известному ракетному двигателю, эксплуатируемому на уровне моря. От минимальной площади сечения A сопла, в котором истекающие газы имеют звуковую скорость, расширяющуюся или выходную часть сопла можно рассчитать так, чтобы на протяжении от уровня B отношение площадей на входе составляло 5. При многих условиях, таких как моменты старта или останова, при наличии атмосферного давления, будет происходить отрыв потока от внутренней стенки упомянутой расходящейся части сопла. Это явление возникает спонтанно и беспорядочно и вызывает появление нестационарных газовых нагрузок в поперечном направлении. Упомянутое явление будет означать ограничение как коэффициента расширения в выходной части, так и длины последней, вдоль которой может быть выполнено требование неотрывного истечения в процессе установившегося режима работы. Согласно изобретению предложена новая форма сопла, которая будет надежно обеспечивать эффективное управление отрывом потока так, чтобы можно было увеличить коэффициент расширения и, тем самым, мощность ракетного двигателя без возникновения явления отрыва потока, вызывающего неприемлемые боковые нагрузки.

По настоящему изобретению, оставляя предшествующую осесимметричную форму стенки сопла и при наличии по периферии изменяющегося по длине радиуса, предпочтительно в форме многогранного контура, обеспечивают значительное улучшение характера поведения траектории отрыва потока и снижение боковых нагрузок и, таким образом, получают возможность использовать более высокий коэффициент расширения.

На фиг. 1 показана только расширяющаяся или выходная часть сопла по настоящему изобретению. На упомянутой фигуре осесимметричный контур части сопла модифицирован по сравнению с предшествующей чисто круглой формой, показанной, например линиями D, посредством в соответствии с настоящим изобретением периодического изменения длины радиуса и предпочтительно так, чтобы образовать многоугольник, например, с восемью сторонами S1, S2... При наличии многоугольника, описывающего линию окружности D, можно получить увеличение площади максимально, например, 6%.

В предпочтительном варианте контур входного отверстия упомянутой расширяющейся части сопла, т.е. на уровне B, см. фиг. 3, должен быть круглым, следовательно, с постоянной длиной радиуса, а затем длина радиуса начинает постепенно изменяться с увеличением осевого расстояния от уровня B и достигает своего максимального изменения вблизи конца расширенной части сопла.

На фиг. 2 на аксонометрической проекции сопла имеется вырыв, для того чтобы показать линии F отрыва потока. Из приведенного чертежа видно, что линии отрыва потока образуют криволинейные участки, выходящие из каждого угла многоугольного контура и имеют кривизну, направленную вниз по течению относительно центральной линии каждой стороны многоугольника. Это означает, что отрыв потока можно эффективно контролировать и устранять вредные боковые нагрузки почти полностью. Предложенный в настоящем изобретении многоугольный контур будет, таким образом, вызывать неосесимметричное распределение давления по внутренней поверхности стенки выходной части сопла. На фиг. 2 линии отрыва потока иллюстрируют семейство линий давления в камере в процессе стартового неустановившегося режима. Подобно варианту, показанному на фиг. 1, в этом варианте многоугольная форма также имеет восемь (8) сторон и обеспечивает увеличение площади на 6% по сравнению с площадью окружности, вписанной в многоугольник.

Число сторон многоугольника можно изменять от 5 до 15, 8, 10 и 12, что получено по результатам испытаний. Анализ не обнаружил данных по влиянию на рабочие характеристики.

В качестве примера могут быть приведены следующие размеры сопла согласно предшествующему техническому решению:
Длина 1,8 м
Входной диаметр 0,6 м
Выходной диаметр 1,8 м
Отношение площадей на входе 5
Отношение площадей на выходе 45.

В отличие от этого, можно привести размеры сопла согласно настоящему изобретению, а именно:
Длина части A до выхода 3,3 м
Входной диаметр 0,6 м
Выходной диаметр 2,7 м
Отношение площадей на входе 5
Отношение площадей на выходе 100.

Как можно видеть из приведенных выше примеров, отношение площадей на выходе может быть увеличено до 100 и, таким образом, можно обеспечить более высокий коэффициент расширения и тем самым улучшенные рабочие характеристики сопла, поскольку теперь можно эффективно контролировать траектории отрыва потока и сдвигать их вниз по ходу потока выходной части сопла относительно уровня С, как показано на фиг. 3. Это также позволяет увеличить длину выходной части сопла и улучшить условия истечения в процессе установившегося режима работы.

Изобретение относится к способу ракетного двигателя с выходной частью, имеющей криволинейный профиль в осевом сечении. Предложено, чтобы по периферии упомянутая выходная часть в осевом направлении имела радиус, длина которого переменна. Изобретение позволяет обеспечить управление отрывом потока, который возникает на выходе из сопла. 3 ил.

Сопло ракетного двигателя с выходной частью, имеющей криволинейный профиль в осевом сечении, у которого выходная часть в осевом сечении имеет радиус, длина которого периодически изменяется в периферийном направлении, причем длина радиуса изменяется периодически так, что образуется многоугольная форма контура, имеющая 6 сторон, отличающееся тем, что упомянутая многоугольная форма имеет 5 сторон или 7 - 15 сторон, а периодическое изменение длины радиуса является малым или почти не отличается от наименьшей площади поперечного сечения сопла, а затем постепенно возрастает относительно горловины упомянутой выходной части до максимально необходимой конечной величины.